织物衬垫自润滑关节轴承的研究现状与展望

1、织物衬垫自润滑关节轴承的研究现状与展望沈雪瑾1,曹磊1,陈有光2,李如琰2(1.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;2.上海市轴承技术研究所,上海200031摘要:针对飞行器等高端设备中广泛使用的免维护织物衬垫自润滑关节轴承,从其基体与自润滑织物衬垫材料、力学仿真与结构分析、性能试验、磨损与寿命分析诸方面介绍了国内、外的研究动态和发展趋势,并在总结现有研究工作的基础上,对织物衬垫自润滑关节轴承的未来发展趋势提出了一些看法。关键词:关节轴承;固体润滑;织物衬垫中图分类号:T H133.31文献标志码:A文章编号:1000-3762(200903-0057-05Research St

2、a tus and Prospect of Spher i ca l Pl a i nBear i n gs w ith Self-lubr i ca ti n g Fabr i c L i n erSHE N Xue-jin1,CAO Lei1,CHE N You-guang2,L I Ru-yan2(1.School of Mechatr onics Engineering and Aut omati on,Shanghai University,Shanghai200072,China;2.Shanghai Bearing Technol ogy Research I nstitute,

3、Shanghai200031,ChinaAbstract:For maintenance-free s pherical p lain bearings with self-lubricating fabric liner which are widely used in high-end equi pments such as aircrafts,an overvie w on the research and devel opment at home and abr oad is intr oduced in their matrix and self-lubricating fabric

4、 liner materials,mechanical si m ulati on and analysis of the structure,per2 f or mance testing,wear and service life analysis.Finally the research trends of s pherical p lain bearings with self-lubri2 cating fabric liner are p resented based on the p revi ous research.Key words:s pherical p lain be

5、aring;s olid lubricant;fabric liner关节轴承又称球面滑动轴承(Spherical Plain Bearings,主要由一个带外球面的内圈和一个带内球面的外圈组成。根据其工作时是否需要补充润滑剂,关节轴承可分为非自润滑关节轴承和自润滑关节轴承。织物衬垫自润滑关节轴承则是指内、外圈间含有织物衬垫形式自润滑材料的关节轴承,其通常具有结构简单紧凑,易于装拆,承载能力高,寿命长,转动灵活,免维护等特点1,因此在航空、航天、电力、交通、生物医药和纺织等装备中获得了愈来愈广泛的应用,已经成为这些装备中不可或缺的关键零部件。织物衬垫自润滑关节轴承的主要失效形式是收稿日期:20

6、08-12-02;修回日期:2008-12-06基金项目:国防科工委研究项目(JPPT-115-620因此,开展织物衬垫自润滑关节轴承的摩擦学性能研究对其性能指标的改善和使用寿命的提高具有十分重要的意义。目前国内、外虽然在织物衬垫自润滑关节轴承的摩擦、磨损、寿命计算和试验方法等方面取得一些研究结果,但较之不断提高指标的实际使用要求仍不够完善2-8。1轴承基体与自润滑衬垫材料为了满足较高的承载能力,织物衬垫自润滑关节轴承的内、外圈材料通常采用轴承钢、不锈钢、高强度合金等材料制作。织物衬垫则作为自润滑关节轴承的重要组成部分,通常粘接在关节轴承外圈内表面,因为其性I SS N1000-3762 CN

7、41-1148/TH 轴承2009年3期Bearing2009,No.357-61能直接决定着自润滑关节轴承的寿命,且在工业实践中往往由于衬垫材料的过度磨损可导致整个轴承失效而受到了国内、外学者的广泛关注。目前,自润滑衬垫复合材料大致可以分为3类1,9: (1金属背衬的层状复合材料,如3层复合材料(DU、DX材料,它以刚性金属背衬为基体,烧结青铜粉或铜网为中间层,表面层则为填充聚四氟乙烯(PTFE和减磨添加剂的多孔材料,通过工艺手段可使之牢固结合成一体;(2聚合物及其填充复合材料,填充剂可以是石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等润滑性填料,也可以是具有增强作用的玻璃纤维或石棉纤维等;(3PTFE纤维织

8、物,由聚四氟乙烯等几种性质不同的长纤维混织而成,并在表面涂覆高强度的树脂,其性能卓越,温度变化时尺寸稳定,抗磨减摩效果优异2,6,10。PTFE纤维织物衬垫早在20世纪50年代中期即因关节轴承自润滑功能的需求应运而生11,而在此之前所有的飞机运动控制系统中均采用需要定期进行脂润滑的镀青铜钢制轴承,随着飞机结构越来越复杂,这种定期维护的成本变得越来越高,从而促成了这种免维护的新型自润滑织物衬垫的产生与发展。纤维织物衬垫自润滑轴承在20世纪60,70年代得到快速发展,主要是引入了新的人造纤维、纺织方法,在纤维增强树脂中填充颗粒状的聚四氟乙烯树脂,以及先进的树脂涂覆技术。这种自润滑织物衬垫有3个特性

9、:(1复合材料衬垫的厚度严格控制得较薄,因而承载能力主要由轴承基体材料来承担;(2衬垫的聚四氟乙烯润滑成分以纤维的形式而不是颗粒的形式引入衬垫,因为前者的强度和刚度均比后者大;(3交织的纤维正好可以设计成由PTFE纤维为主要成分的接触面和由其他纤维组成的背面,这样衬垫的背面就容易粘接在轴承的金属基体材料上。这种织物衬垫的自润滑及耐磨损性能良好,力学性能优异,承载能力高,耐腐蚀,置室外15年无老化现象9。在重载荷磨损过程中,这种织物复合材料将会在轴承内、外圈接触面之间形成PTFE转移膜,减少了接触面的剪切应力,使关节轴承内圈外球面的微凸体对PTFE复合层的擦伤作用明显得到抑制和减轻。此时摩擦副之

10、间的接触表现为转移膜与轴承内圈外表面之间的接触,这种接触会大大减轻轴承转动时的摩擦阻力,显著降低轴承内、外圈之间的摩擦系数,这就是织物衬垫自润滑关节轴承摩擦系数很小的原因2。随着关节轴承转速的增加,轴承的磨损量也在不断增加。同时,转移膜也会不断地被挤向两边,PTFE自润滑层不断地减少,因此在磨损过程中轴承摩擦系数也在缓慢增加,直到PTFE自润滑层被消耗完毕、轴承失效为止。2000年前后,国外学者就曾对纤维织物进行过一些力学建模、有限元分析及实验研究,以探求织物的性能参数17-18,但对于将纤维织物和树脂基体整体考虑,分析各向异性织物衬垫的力学性能却鲜见报道。近几年,国内学者也开始关注应用于轴承

11、的纤维织物自润滑材料。文献14通过对磨损表面形貌分析发现PTFE纤维含量为80%的织物在常温及所用几种介质浸泡后,其摩擦系数低于PTFE 纤维含量为50%的织物;磨损量与载荷、介质、温度以及纤维织物中的PTFE纤维含量有关,PTFE 纤维含量越高,磨损量越小。文献10研制了由PTFE纤维与Nomex纤维、玻璃纤维等材料采用特定方法纺织,并经特殊浸渍处理后制成的复合织物,该织物强度高,摩擦系数小。将这种纤维织物应用于关节轴承时,可使关节轴承既保持高承载、自动调心的特性,又兼有自润滑、耐冲击、长寿命等特点。文献15对碳纤维织物与Nomex纤维织物复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,指出No2 mex

12、纤维织物复合材料的耐磨性能优于碳纤维织物复合材料,而碳纤维织物复合材料的减摩性能优于Nomex纤维织物复合材料,而且载荷和环境温度对碳纤维织物和Nomex纤维织物复合材料的影响非常明显。文献16则讨论了载荷、速度及热处理等对芳纶织物摩擦磨损性能的影响,并探讨了其作用机理。2力学仿真与结构分析自润滑关节轴承结构特殊且内、外圈间为球面接触,目前利用解析方法求解其内、外圈应力分布和变形情况仍很困难17。然而随着计算机数值模拟技术和有限元方法的发展,利用数值方法求解以上问题已成为可能。随着固体力学和有限元仿真技术的发展,利用ABAQUS,ANSYS等软件对关节轴承进行结构分析不仅可以将产品的安全隐患消

13、除在设计阶段,而且可以缩短产品的设计周期,并且在保证设计要求的前提下提高产品的设计水平18。对于接触面为球面的关节轴承的力学仿真和85轴承2009.3结构分析,国内、外学者进行了较多的研究。在轴承无间隙,并且不考虑润滑的条件下,文献19利用二维有限元模型计算了大型推力关节轴承轴向、径向以及轴、径向复合加载时的变形和受力分布。发现在轴、径向复合加载时球面最大接触应力和球体最大轴向位移量与纯轴向和纯径向加载相比,随载荷的增大有一定的下降,原因是由于径向载荷的作用,使得轴承球体相对外圈的轴向位移困难,轴向变形减小。另外还发现轴承内圈球体的内孔径向最大变形对轴承与轴的配合状况产生重要的影响。通过ANS

14、YS分析可为合理确定该配合间隙提供理论依据。文献18对GI XS系列的杆端关节轴承进行了三维有限元仿真分析和结构优化,得出了杆端关节轴承的应力分布和最大M ises应力。作者在施加约束时,将两个柱窝球面进行了全约束,这样尽管有利于接触问题的收敛,但因为限制了轴承自身的变形,可能会引入较大的误差。文献20对关节轴承系统进行了结构分析,计算了与之相连的关节轴承的载荷及变形状况。采用一种只能承受压力的L ink单元,对不考虑摩擦和切向作用的接触问题进行等效建模,求解了关节轴承内、外圈间径向游隙对轴承变形的影响。自润滑关节轴承内、外圈材料的热膨胀系数不同时,随着内圈与轴、外圈与轴承座配合的不同,内、外

15、圈间往往会产生一定的间隙,为了防止卡死和装配后出现间隙,文献8利用二维有限元模型预测了配合对内、外圈变形的影响,并求解出了最佳的轴颈和外圈外径尺寸。文献21利用ANSYS对GEZ101ES型向心关节轴承进行了结构优化,在不改变装配尺寸的条件下,通过改变关节轴承的球径尺寸来优化轴承所受第3向主应力(3m in,得到了静载荷条件下向心关节轴承球径尺寸的优化值。文献22利用有限元软件ABAQUS建立了某型号向心关节轴承的三维分析模型,并据此分析了向心关节轴承的应力和变形情况,得出了内、外圈M ises等效应力分布、位移分布、内外圈之间的接触压力分布,以及最大接触应力随载荷变化图。至今,对于包含织物衬

16、垫在内的自润滑关节轴承的力学仿真与结构分析研究的公开报道仍很少,近期文献23基于简化的织物衬垫正交层合板复合材料模型和ABAQUS软件分析了某型号织物衬垫自润滑关节轴承的受力和变形情况,求出了其额定载荷下的最大M ises应力、载荷作用方向的最大位移,以及内、外圈间的最大接触压力。3试验早在20世纪90年代,国内相关研究单位即开展了对织物衬垫自润滑关节轴承的产品模拟试验和摩擦磨损性能分析。1997年,洪富岳等自行研制了大中型关节轴承磨损寿命和摩擦力矩试验机24-25。在此基础上,狄葆璋等于1999年在载荷为200600kN、摆动频率为10次/m in、摆角为±25°工况下,

17、对外圈内表面粘接织物衬垫材料的铝合金关节轴承初步进行了摆动磨损试验3。结果表明:凡是内、外球面滚道接触良好者,其磨损性能优良;若磨痕区域呈黑褐色狭长形状,则其磨损性能较差。2003年,文献6在自制的重载摩擦试验机上,在转速为25r/m in条件下测试了PTFE织物衬垫自润滑关节轴承(GE100ET-2RS承载力与摩擦系数的关系;在承载力为135MPa时,测试了轴承的磨损曲线、轴承的温升以及摩擦系数随连续摆动时间变化的关系曲线,并据此探讨了PTFE编织复合材料轴承的摩擦磨损机理。2008年,魏立保等则针对自行研制的内径为25mm的A型织物衬垫自润滑关节轴承进行了一系列的结构强度试验以及寿命试验考

18、核26。试验结果表明,轴承的各项性能完全能满足M I L-B-81820标准要求,部分性能甚至优于进口轴承。该产品的研制填补了国内空白。4磨损与寿命计算自润滑关节轴承的磨损与寿命的准确计算仍是工程设计中面临的主要问题之一。1980年Sarkar A D根据非金属零件的磨损体积与作用载荷和滑动距离成正比的关系,并在工程实践的基础上参考Ampep L td.公司轴承磨损量计算方法,总结得出了简化的计算衬垫自润滑关节轴承总磨损量的方法27,即首先将轴承的接触应力p和总滑动距离s转换为在应力p1=182MPa下的等效滑动距离s1,然后通过查询图1中同类衬垫自润滑关节轴承在内、外圈接触应力为182 MP

19、a时的磨损量与滑动距离的变化曲线,得到在等效滑动距离下轴承的总磨损量。此种方法虽然只是根据已有试验数据进行简单的预估,每次也只能计算一种类型衬垫材料的磨损量,但其对于工程计算却不失是一种方便的参考。95沈雪瑾等:织物衬垫自润滑关节轴承的研究现状与展望图1内、外圈接触应力为182MPa时自润滑关节轴承磨损量与滑动距离变化图1985年文献1根据试验和实践经验总结出了自润滑关节轴承寿命L的估算关系式L=b1b2b3b4k mpv(1式中:b1为载荷方向因素;b2为载荷因素;b3为温度因素;b4为滑动因素;km为材料常数;p为局部载荷应力;v为平均滑动线速度。从以上结论可以看出,影响自润滑关节轴承寿命

20、的因素很多,确定各个因素的准确值并不容易。为了得到进一步的结论,文献6,9在JB/T 85651997标准的基础上,通过对关节轴承摩擦磨损特性的研究,提出了关节轴承寿命的估算关系式如下L=k fkTRZ C d/P(2式中:L为关节轴承的寿命(用摆动次数表示;kf 为材料修正系数;Cd为轴承额定动载荷;P为轴承当量动载荷;k 为载荷特性响应系数;T为温度响应系数;R 为润滑影响系数;Z为轴承质量、润滑特性响应系数。上述系数的确定非常复杂,要通过大量的磨损试验和分析工作。关节轴承的寿命计算十分复杂,除了考虑到上述的因素外,还有随机影响因素,因此上式仅仅是一种寿命估算。5结束语经过对织物衬垫自润滑

21、关节轴承几十年的研究,在自润滑织物衬垫材料、轴承的力学仿真与结构分析、轴承试验、磨损与寿命分析诸方面已取得了一系列成果。总体来说,我国对此种形式轴承的各方面工程研究工作虽已起步,但远不能满足国家重大工程发展的要求,特别是相关基础研究工作甚为薄弱,严重制约了其快速发展。未来织物衬垫自润滑关节轴承将可能在以下几个方面取得进一步的发展,以适应飞行器等高端装备技术长期高速发展的需求。(1固体润滑材料。继续寻找摩擦系数低、磨损率小、综合力学性能优良的PTFE纤维织物复合材料,并开发制作成织物衬垫。(2材料模型与计算。由于自润滑织物衬垫通常为复合材料,因而需要建立衬垫材料的力学模型,从而准确地表征其各向异

22、性复合材料的特性,为织物衬垫自润滑关节轴承的仿真分析提供理论基础。(3轴承制造工艺研究。寻找与自润滑织物衬垫低摩擦磨损性能相容的高强度轴承基体材料,开发高强度材料成形、稳定性处理、织物衬垫粘接等工艺。(4高性能织物衬垫自润滑轴承的定量设计与性能分析,包括从材料学和摩擦学等角度进行深入的轴承润滑与承载机理、摩擦磨损性能和环境兼容等基础性理论研究,以及寿命计算、性能试验与相关标准的制订。参考文献:1Sleghart Sautter,Howard R Haden,Bernd Kott w itz.Spherical Plain Bearings f or on and off Road Vehicl

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24、ties of the SphericalPlain Bearings with Self-lubricating Composite L inerin O scillat ory Move mentJ.Journal of W uhan Uni2versity of Technol ogy-M ater Sci Ed,2004,19:86-91.6向定汉,潘青林,骆心怡.PTFE编织复合材料重载关节轴承的旋转摩擦特性J.复合材料学报,2003,20(6:125-129.7杨咸启,宋雪静,张蕾.关节轴承的边界润滑模型与寿命分析J.轴承,2005(8:11-13.8Byung Chul Ki m

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